En högkänslig, bärbar gassensor för miljö- och hälsoövervakning kan snart bli kommersiellt tillgänglig, enligt forskare vid Penn State och Northeastern University.

Sensorenheten är en förbättring av befintliga bärbara sensorer eftersom den använder en självuppvärmningsmekanism som ökar känsligheten. Det möjliggör snabb återställning och återanvändning av enheten. Andra anordningar av denna typ kräver en extern värmare. Dessutom, andra bärbara sensorer kräver en dyr och tidskrävande litografiprocess under renrumsförhållanden.

Hand och arm som visar sensor applicerad på inre skriv med läs bredvid en mobiltelefonstorlek.

"Människor gillar att använda nanomaterial för avkänning eftersom deras stora yta-till-volym-förhållande gör dem mycket känsliga, " sa Huanyu Cheng, biträdande professor i ingenjörsvetenskap och mekanik och materialvetenskap och teknik, Penn State. "Problemet är att nanomaterialet inte är något vi enkelt kan koppla upp oss till med ledningar för att ta emot signalen, nödvändiggör behovet av något som kallas interdigiterade elektroder, som är som siffrorna på din hand."

Cheng och hans team använder en laser för att mönstra en mycket porös enda linje av nanomaterial som liknar grafen för sensorer som upptäcker gas, biomolekyler, och i framtiden, kemikalier. I den icke-avkännande delen av enhetsplattformen, teamet skapar en serie serpentinlinjer som de belägger med silver. När de applicerar en elektrisk ström till silvret, gasavkänningsområdet kommer att värmas upp lokalt på grund av betydligt större elektriskt motstånd, eliminerar behovet av en separat värmare. Serpentinlinjerna gör att enheten kan sträcka sig, som fjädrar, för att anpassa sig till kroppens böjning för bärbara sensorer.

Nanomaterialen som används i detta arbete är reducerad grafenoxid och molybdendisulfid, eller en kombination av de två; eller en metalloxidkomposit som består av en kärna av zinkoxid och ett skal av kopparoxid, representerar de två klasserna av mycket använda gassensormaterial — lågdimensionella och metalloxidnanomaterial.

"Att använda en CO ₂ laser, hittas ofta i maskinverkstäder, vi kan enkelt göra flera sensorer på vår plattform, ", sa Cheng. "Vi planerar att ha tio till hundra sensorer, var och en selektiv för en annan molekyl, som en elektronisk näsa, att avkoda flera komponenter i en komplex blandning."

U.S. Defense Threat Reduction Agency är intresserad av denna bärbara sensor för att upptäcka kemiska och biologiska ämnen som kan skada nerver eller lungor, enligt forskarna. Ett medicintekniskt företag arbetar också med teamet för att skala upp produktionen för patienthälsoövervakning, inklusive detektering av gasformiga biomarkörer från människokroppen och miljödetektering av föroreningar som kan påverka lungorna.

Ning Yi, en doktorand i Chens labb och medförfattare till tidningen som publicerades online i Journal of Materials Chemistry A , sa, "I det här pappret, vi visade att vi kunde detektera kvävedioxid, som produceras av fordonsutsläpp. Vi kan också detektera svaveldioxid, som, tillsammans med kvävedioxid, orsakar surt regn. Alla dessa gaser kan vara ett problem inom industriell säkerhet."

Forskarna sa att deras nästa steg är att skapa högdensitetsmatriser och prova några idéer för att förbättra signalen och göra sensorerna mer selektiva. Detta kan innebära att man använder maskininlärning för att identifiera de distinkta signalerna från enskilda molekyler på plattformen.